CN110896191A - 一种基于非线性放大环镜的低重频全保偏光纤激光器 - Google Patents

一种基于非线性放大环镜的低重频全保偏光纤激光器 Download PDF

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Abstract

本申请实施例提供了一种基于非线性放大环镜的低重频全保偏光纤激光器，所述低重频全保偏光纤激光器包括主增益环和NALM锁模环，所述主增益环和所述NALM锁模环通过第二保偏光纤耦合器连接，其中：所述主增益环包括第一保偏色散补偿光纤。采用本申请，能够提高基于NALM的光纤激光器产生的脉冲的脉冲能量。

Description

一种基于非线性放大环镜的低重频全保偏光纤激光器
技术领域
本申请涉及光纤激光器技术领域，特别是涉及一种基于非线性放大环镜的低重频全保偏光纤激光器。
背景技术
由于基于非线性放大环镜(NALM,Nonlinear Amplification Loop Mirror)的光纤激光器产生的锁模超短脉冲，在光通信、精密测量等领域具有广泛的应用前景，因此，基于NALM的光纤激光器受到了人们的极大关注。
基于NALM的光纤激光器由主增益环和NALM锁模环组成，主增益环包括第一半导体激光器(LD，Laser Diode)、第一保偏光纤耦合器、第一保偏波分复用器。NALM锁模环包括第二LD、第二保偏波分复用器。主增益环与NALM锁模环通过第二保偏光纤耦合器连接。其中，主增益环和NALM锁模环均为闭合环形腔。在基于NALM的光纤激光器的工作过程中，第一LD产生的激光作为第一泵浦光从第一保偏波分复用器的第一输入端输入，从第一保偏波分复用器的输出端进入主增益环，在组成主增益环的多个光学器件间传输，从第二保偏光纤耦合器的某一输入端进入第二保偏光纤耦合器；第二LD产生的激光作为第二泵浦光，在组成NALM锁模环的多个光学器件间传输，从第二保偏光纤耦合器的另一输入端输入第二保偏光纤耦合器；第一泵浦光和第二泵浦光从第二保偏光纤耦合器的预设输出端输出，得到第三泵浦光；第三泵浦光传输进第一保偏光纤耦合器的输入端，从第一保偏光纤耦合器的某一个输出端输出，得到脉冲形式的输出激光。其中，第一保偏光纤耦合器的另一个输出端与第一保偏波分复用器的第二输入端连接，以将未输出的部分第三泵浦光和当前第一LD产生的激光一同作为第一泵浦光，从第一保偏波分复用器的输出端进入主增益环。
在一些精密光学应用，比如产生超连续谱时，需要脉冲能量高的锁模超短脉冲，然而基于NALM的光纤激光器产生的脉冲的脉冲能量无法满足要求，因此，需要提高基于NALM的光纤激光器产生的脉冲的脉冲能量。
申请内容
本申请实施例的目的在于提供一种基于非线性放大环镜的低重频全保偏光纤激光器，以提高基于NALM的光纤激光器产生的脉冲的脉冲能量。具体技术方案如下：
本申请提供了一种基于非线性放大环镜的低重频全保偏光纤激光器，所述低重频全保偏光纤激光器包括主增益环和非线性放大环镜NALM锁模环，所述主增益环和所述NALM锁模环通过第二保偏光纤耦合器连接，其中：
所述主增益环包括第一保偏色散补偿光纤。
可选的，所述主增益环还包括第一保偏光纤耦合器；
所述第一保偏色散补偿光纤设置于所述第一保偏光纤耦合器和所述第二保偏光纤耦合器之间；
所述第一保偏光纤耦合器和所述第二保偏光纤耦合器，通过所述第一保偏色散补偿光纤连接。
可选的，所述主增益环还包括第一半导体激光器、第一保偏波分复用器、第一保偏单模光纤、以及第一保偏光纤隔离器；
所述第一保偏波分复用器的第一输入端与所述第一半导体激光器的输出端连接，第二输入端与所述第一保偏光纤耦合器的第一输出端连接；
所述第一保偏单模光纤的输入端与所述第一保偏波分复用器的输出端连接，输出端与所述第一保偏光纤隔离器的输入端连接；
所述第一保偏光纤隔离器的输出端与所述第二保偏光纤耦合器的第一输入端连接。
可选的，所述NALM锁模环还包括第二半导体激光器、第二保偏波分复用器、第二保偏单模光纤、以及第二保偏色散补偿光纤；
所述第二保偏波分复用器的第一输入端与所述第二半导体激光器的输出端连接，第二输入端与所述第二保偏色散补偿光纤的输出端连接；
所述第二保偏单模光纤的输入端与所述第二保偏波分复用器的输出端连接，输出端与所述第二保偏光纤耦合器的第二输入端连接；
所述第二保偏色散补偿光纤的输入端与所述第二保偏光纤耦合器的第二输出端连接。
可选的，所述第一保偏色散补偿光纤的长度由所述主增益环中的色散确定。
可选的，所述第一保偏光纤耦合器为1×2光纤耦合器，所述第一保偏光纤耦合器中预设的两输出端的分光比为30：70。
可选的，所述第二保偏光纤耦合器为2×2光纤耦合器，所述第二保偏光纤耦合器中预设的两输出端的分光比为45：55。
本申请实施例提供了一种基于非线性放大环镜的低重频全保偏光纤激光器，包括主增益环和NALM锁模环，主增益环和NALM锁模环通过第二保偏光纤耦合器连接，主增益环包括第一保偏色散补偿光纤。由于在主增益环中添加了第一保偏色散补偿光纤，能够增长基于NALM的光纤激光器的激光振荡腔的腔长，同时能够对激光振荡腔内的色散进行补偿，进而能够大幅降低光纤激光器的重复频率，提高基于NALM的光纤激光器产生的脉冲的脉冲能量。
当然，实施本申请的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种基于非线性放大环镜的低重频全保偏光纤激光器的结构示意图。
图例说明
1、第一半导体激光器 2、第一保偏波分复用器
3、第一保偏单模光纤 4、第一保偏光纤隔离器
5、第二保偏光纤耦合器 6、第一保偏色散补偿光纤
7、第一保偏光纤耦合器 8、第二半导体激光器
9、第二保偏波分复用器 10、第二保偏单模光纤
11、保偏起偏器 12、第二保偏色散补偿光纤
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请实施例提供了一种基于非线性放大环镜的低重频全保偏光纤激光器，该低重频全保偏光纤激光器包括主增益环和NALM锁模环。图1为本申请实施例提供的一种基于非线性放大环镜的低重频全保偏光纤激光器的结构示意图，其中，主增益环和NALM锁模环通过第二保偏光纤耦合器5连接，主增益环包括第一保偏色散补偿光纤6。
本申请实施例中，低重频全保偏光纤激光器的激光振荡腔由主增益环和NALM锁模环组成。第一泵浦光在主增益环中的多个光学器件间传输时，会产生色散，类似的，第二泵浦光在NALM锁模环中的多个光学器件间传输时，也会产生色散，因此，激光振荡腔中存在色散，第一保偏色散补偿光纤6能够补偿激光振荡腔中的色散，使得补偿色散后，激光振荡腔腔内的色散接近于零。从而能够实现低重频、高脉冲能量的锁模脉冲输出。
可选的，本申请实施例提供的一种基于非线性放大环镜的低重频全保偏光纤激光器中，主增益环还包括第一保偏光纤耦合器7；第一保偏色散补偿光纤6设置于第一保偏光纤耦合器7和第二保偏光纤耦合器5之间；第一保偏光纤耦合器7和第二保偏光纤耦合器5，通过第一保偏色散补偿光纤6连接。
可选的，主增益环还包括第一半导体激光器1、第一保偏波分复用器2、第一保偏单模光纤3、以及第一保偏光纤隔离器4；第一保偏波分复用器2的第一输入端与第一半导体激光器1的输出端连接，第二输入端与第一保偏光纤耦合器7的第一输出端连接；第一保偏单模光纤3的输入端与第一保偏波分复用器2的输出端连接，输出端与第一保偏光纤隔离器4的输入端连接；第一保偏光纤隔离器4的输出端与第二保偏光纤耦合器5的第一输入端连接。
在实施中，第一半导体激光器1是带有尾纤的半导体激光器，该半导体激光器可以光纤耦合输出激光。第一半导体激光器1的尾纤(也即输出端)与第一保偏波分复用器2的泵浦端(也即第一输入端)连接；第一保偏波分复用器2的输出端与第一保偏单模光纤3的输入端连接，第一保偏单模光纤3的输出端与第一保偏光纤隔离器4的输入端连接；第一保偏光纤隔离器4的输出端与第二保偏光纤耦合器5的第一输入端连接。第一保偏色散补偿光纤6的输入端与第二保偏光纤耦合器5的第一输出端连接，输出端与第一保偏光纤耦合器7的输入端连接；第一保偏光纤耦合器7的第一输出端与第一保偏波分复用器2的第二输入端相连，由此，组成闭合环形腔，也即主增益环。
第一保偏光纤耦合器7的第二输出端作为基于非线性放大环镜的低重频全保偏光纤激光器的激光输出端，输出脉冲形式的激光。其中，第一保偏光纤隔离器4用于确保主增益环中第一泵浦光以顺时针方向传输的方式单向传输。
本申请实施例还提供了一种基于非线性放大环镜的低重频全保偏光纤激光器的NALM锁模环的结构示意图，如图1所示，该NALM锁模环还包括第二半导体激光器8、第二保偏波分复用器9、第二保偏单模光纤10、以及第二保偏色散补偿光纤12；第二保偏波分复用器9的第一输入端与第二半导体激光器8的输出端连接，第二输入端与第二保偏色散补偿光纤12的输出端连接；第二保偏单模光纤10的输入端与第二保偏波分复用器9的输出端连接，输出端与第二保偏光纤耦合器5的第二输入端连接；第二保偏色散补偿光纤12的输入端与第二保偏光纤耦合器5的第二输出端连接。
在实施中，与第一半导体激光器1类似，第二半导体激光器8是带有尾纤的半导体激光器，该半导体激光器可以光纤耦合输出激光。第二半导体激光器8的尾纤(也即输出端)与第二保偏波分复用器9的泵浦端(也即第一输入端)连接，第二保偏波分复用器9的输出端与第二保偏单模光纤10的输入端连接。第二保偏单模光纤10的输出端与第二保偏光纤耦合器5的第二输入端连接，第二保偏光纤耦合器5的第二输出端与第二保偏色散补偿光纤12的输入端连接，第二保偏色散补偿光纤12的输出端与第二保偏波分复用器9的第二输入端连接，由此，组成闭合环形腔，也即NALM锁模环。NALM锁模环中第二泵浦光以逆时针方向传输的方式单向传输。在NALM锁模环中，第二保偏色散补偿光纤12用于增强增益不对称。
本申请实施例中，基于NALM锁模环进行锁模，低重频全保偏光纤激光器能够产生高脉冲能量的脉冲激光，便于技术人员调整输出脉冲激光的光谱和时间特性。同时，基于NALM锁模环进行锁模，低重频全保偏光纤激光器能够实现稳定的自启动锁模，而不需要采用额外机械扰动或相位偏置来启动锁模。
主增益环和NALM锁模环通过第二保偏光纤耦合器5连接，主增益环和NALM锁模环通过第二保偏光纤耦合器5的不同端口连接。具体的，主增益环连接了第二保偏光纤耦合器5的第一输入端和第一输出端，NALM锁模环连接了第二保偏光纤耦合器5的第二输入端和第二输出端。
本申请通过第二保偏光纤耦合器5，在主增益环中插入了NALM锁模环，生成了“8”字形激光振荡腔，由于在主增益环中加入了NALM锁模环，增加了激光振荡腔中增益的不对称性。因此，在激光振荡腔内传输方向不同的第一泵浦光和第二泵浦光具有不同的相移，易于积累第一泵浦光和第二泵浦光之间的相位差，使得激光振荡腔容易实现自启动锁模。
在一种可能的实现方式中，第二保偏光纤耦合器5的内部集成有一个保偏起偏器11，用于确保整个激光振荡腔是保偏的，从而保证基于非线性放大环镜的低重频全保偏光纤激光器产生的脉冲是线偏振光。
在另一种可能的实现方式中，保偏起偏器11还可以集成在其他光学器件中，例如，第一保偏波分复用器2中、第一保偏光纤隔离器4中、第一保偏光纤耦合器7中、以及第二保偏波分复用器9中。保偏起偏器11也可以作为单独的光学器件，与主增益环中与其相邻的其他光学器件光纤耦合连接。例如，将保偏起偏器11设置在第一保偏光纤隔离器4和第二保偏光纤耦合器5之间，第一保偏光纤隔离器4和第二保偏光纤耦合器5，通过保偏起偏器11连接。
可选的，第一保偏色散补偿光纤6的长度由主增益环中的色散确定。
在实施中，技术人员可以根据主增益环中的色散和预设的光纤长度计算公式，计算第一保偏色散补偿光纤6的最小长度。技术人员还可以基于最小长度和该光纤长度计算公式，计算第一保偏色散补偿光纤6的多个可用长度，多个可用长度均大于最小长度。
例如，可以根据主增益环中的色散和预设的光纤长度计算公式，计算出第一保偏色散补偿光纤6的最小长度为30m。光纤长度计算公式中可以包含预设的差值，当差值为20m时，技术人员基于最小长度30m和差值20m，计算多个可用长度，多用长度比如50m、70m、90m。
技术人员可以选取最小长度作为第一保偏色散补偿光纤6的长度，也可以从多个可用长度中，选取某一可用长度作为第一保偏色散补偿光纤6的长度。具体的，技术人员可以根据低重频全保偏光纤激光器产生脉冲的脉冲能量，调节第一保偏色散补偿光纤6的长度。
类似的，技术人员可以根据NALM锁模环中的色散大小，确定第二保偏色散补偿光纤12的长度。
本申请实施例中，第一保偏色散补偿光纤6的长度为90m，第二保偏色散补偿光纤12的长度为4m。第一保偏单模光纤3的长度为1m。
本申请通过采用色散管理技术，在主增益环中添加第一保偏色散补偿光纤6，对第一保偏色散补偿光纤6和第一保偏单模光纤3的长度进行了优化，从而能够大幅降低低重频全保偏光纤激光器输出脉冲的重复频率，提升低重频全保偏光纤激光器输出脉冲的脉冲能量。
可选的，第一保偏光纤耦合器7为1×2光纤耦合器，第一保偏光纤耦合器7中预设的两个输出端的分光比为30：70。
可选的，第二保偏光纤耦合器5为2×2光纤耦合器，第二保偏光纤耦合器5中预设的两个输出端的分光比为45：55。
在实施中，第一保偏光纤耦合器7中预设的两个输出端的分光比为30：70；第二保偏光纤耦合器5中预设的两个输出端的分光比为45：55。第二保偏光纤耦合器5中，第一输入端为主增益环中第一泵浦光的输入端，第一输出端为分光比为55％的输出端，第二输入端为NALM锁模环中第二泵浦光的输入端，第二输出端为分光比为45％的输出端。
第二保偏光纤耦合器5的分光比还可以是除50:50以外的其他比例，其他比例的比值不为1，但接近1，例如40:60。技术人员可以根据实际情况，选取第一保偏光纤耦合器7和第二保偏光纤耦合器5的分光比。
本申请选用非对称的第二保偏光纤耦合器5，可以产生轻微的增益不对称，引起顺时针传播的第一泵浦光和逆时针传播的第二泵浦光之间的非线性相移，进而确保了激光振荡腔可以稳定的自启动锁模运行。
同时，NALM锁模环中连接了非对称的第二保偏光纤耦合器5(即分光比不是50:50的保偏光纤耦合器)，进一步增加了NALM锁模环中增益的不对称性，从而保证了低重频全保偏光纤激光器自启动锁模运行的稳定性。
本申请实施例中，当基于非线性放大环镜的低重频全保偏光纤激光器中的各光学元器件的工作波长不同时，该低重频全保偏光纤激光器产生的脉冲的中心波长也不同，例如，脉冲的中心波长可以是1550nm，1μm，2μm等，本申请实施例不做限定。
具体的，当基于非线性放大环镜的低重频全保偏光纤激光器产生的脉冲的中心波长为1550nm时，第一保偏光纤耦合器7和第二保偏光纤耦合器5的中心波长均为1550nm，第一半导体激光器1和第二半导体激光器8的输出激光的波长均为980nm，第一保偏波分复用器2、第二保偏波分复用器9、以及保偏起偏器11的工作波长为980nm和1550nm。第一保偏单模光纤3和第二保偏单模光纤10均为中心波长为1550nm的保偏单模掺铒光纤。保偏光纤隔离器4的工作波段为1550nm波段。
需要说明的是，组成基于非线性放大环镜的低重频全保偏光纤激光器的各光学元器件间的连接方式均为光纤耦合连接。各光学元器件均为保偏光学元器件，激光振荡腔为全保偏结构，因此，基于非线性放大环镜的低重频全保偏光纤激光器对工作环境的温度波动和机械振动不敏感，能够实现稳定运行。
本申请提供的一种基于非线性放大环镜的低重频全保偏光纤激光器，具有结构简单、成本低廉、稳定性好、易于控制、能够持久的自启动锁模运行等优点，可以作为光放大应用中的种子光，应用于非线性波长变换和生成超连续谱等领域。
本申请实施例提供了一种基于非线性放大环镜的低重频全保偏光纤激光器，包括主增益环和NALM锁模环，主增益环和NALM锁模环通过第二保偏光纤耦合器连接，主增益环包括第一保偏色散补偿光纤。由于在主增益环中添加了第一保偏色散补偿光纤，能够增长基于NALM的光纤激光器的激光振荡腔的腔长，同时能够对激光振荡腔内的色散进行补偿，进而能够大幅降低光纤激光器的重复频率，提高基于NALM的光纤激光器产生的脉冲的脉冲能量。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并非用于限定本申请的保护范围。凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本申请的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于非线性放大环镜的低重频全保偏光纤激光器，其特征在于，所述低重频全保偏光纤激光器包括主增益环和非线性放大环镜NALM锁模环，所述主增益环和所述NALM锁模环通过第二保偏光纤耦合器连接，其中：
所述主增益环包括第一保偏色散补偿光纤。
2.根据权利要求1所述的低重频全保偏光纤激光器，其特征在于，
所述主增益环还包括第一保偏光纤耦合器；
所述第一保偏色散补偿光纤设置于所述第一保偏光纤耦合器和所述第二保偏光纤耦合器之间；
所述第一保偏光纤耦合器和所述第二保偏光纤耦合器，通过所述第一保偏色散补偿光纤连接。
3.根据权利要求2所述的低重频全保偏光纤激光器，其特征在于，
所述主增益环还包括第一半导体激光器、第一保偏波分复用器、第一保偏单模光纤、以及第一保偏光纤隔离器；
所述第一保偏波分复用器的第一输入端与所述第一半导体激光器的输出端连接，第二输入端与所述第一保偏光纤耦合器的第一输出端连接；
所述第一保偏单模光纤的输入端与所述第一保偏波分复用器的输出端连接，输出端与所述第一保偏光纤隔离器的输入端连接；
所述第一保偏光纤隔离器的输出端与所述第二保偏光纤耦合器的第一输入端连接。
4.根据权利要求1～3任一所述的低重频全保偏光纤激光器，其特征在于，
所述NALM锁模环还包括第二半导体激光器、第二保偏波分复用器、第二保偏单模光纤、以及第二保偏色散补偿光纤；
所述第二保偏波分复用器的第一输入端与所述第二半导体激光器的输出端连接，第二输入端与所述第二保偏色散补偿光纤的输出端连接；
所述第二保偏单模光纤的输入端与所述第二保偏波分复用器的输出端连接，输出端与所述第二保偏光纤耦合器的第二输入端连接；
所述第二保偏色散补偿光纤的输入端与所述第二保偏光纤耦合器的第二输出端连接。
5.根据权利要求1所述的低重频全保偏光纤激光器，其特征在于，所述第一保偏色散补偿光纤的长度由所述主增益环中的色散确定。
6.根据权利要求1所述的低重频全保偏光纤激光器，其特征在于，所述第一保偏光纤耦合器为1×2光纤耦合器，所述第一保偏光纤耦合器中预设的两输出端的分光比为30：70。
7.根据权利要求1所述的低重频全保偏光纤激光器，其特征在于，所述第二保偏光纤耦合器为2×2光纤耦合器，所述第二保偏光纤耦合器中预设的两输出端的分光比为45：55。
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